УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ПРЕВЕНТОР ПШЕНИЧНОГО Российский патент 1994 года по МПК E21B33/06 

Изобретение относится к буровой технике и предназначено для герметизации устьев скважин всех назначений.

Ближайшим аналогом принята заявка N 4.747.447, в которой в качестве герметизирующих элементов приняты плашки "трубные" или "глухие", расположенные в одном уровне - в нижней части превентора, которую можно назвать "картер плашечный". Плашки приводятся в действие гидродвигателем, состоящим из цилиндра, который является продолжением картера плашечного и цангового поршня, в виде усеченного полого конуса с полым штоком, внутренний диаметр которого является проходным диаметром превентора. В верхней части корпуса, являющейся продолжением цилиндра, который можно назвать "картер стопорный", размещен автоматический винто-шлицевой стопор, исключающий произвольную разгерметизацию скважины.

Каждый из картеров занимает примерно половину высоты корпуса превентора.

Отвод плашек от оси превентора в сторону его стенок, необходимый для прохода долота, обеспечивается только автоматически пружинами. Следовательно, при их заедании они могут остаться в положении "превентор закрыт", что явится препятствием для прохода долота. Обмывка плашек, плашечного картера и колонны не предусмотрена. Применение других видов герметизаторов, кроме плашек, исключено. При необходимости шлюзования муфтового соединения колонны необходимо применять второй превентор, увеличивающий строительную высоту обвязки устья скважины и стоимость обвязки.

В качестве прототипа принята заявка N 4.747.447, характеристика и критика которой приведена выше.

Вторым синалом принято а. с. СССР N 1.592.472 под названием "Превентор", в котором в качестве герметизатора принята традиционная манжета в виде полого усеченного конуса, содержащая в своей полости аксиально подвижно посаженный конус-расширитель, предназначенный для увеличения диаметра устьевой герметизирующей части манжеты при проворачивании и спуско-подъемных операциях колонны в период отсутствия под превентором давления выше атмосферного. Применение конуса-расширителя обеспечивает возможность увеличения долговечности манжеты в сотни или тысячи раз, по сравнению с патентами США N 2.170.915, N 3.965.987 и а. с. СССР N 309.116. На нижнем внешнем конце манжеты посажен пружинный браслет, предназначенный для поджима ее к колонне в тех случаях, когда она в результате действия на нее высоких или низких температур утрачивает свои физические свойства самоподжима к колонне; когда манжета уже подверглась значительному износу и даже при номинальной температуре образует зазор с колонной, чем полностью исключается ее дальнейшее использование. Однако пружинный браслет дает хороший эффект при применении его на манжетах, находящихся под действием высоких температур, для чего он и был создан. При охлажденной манжете или манжете, изготовленной из материала повышенной твердости, пружинный браслет поставленной цели не достигает.

Замена названных превенторов в экстремальных условиях весьма опасна и запрещена законом.

Цель изобретения - повышение надежности герметизации скважин, расширение диапазона применения, возможности экстренных и безопасных центрирований с осью скважины, посадки на кондуктор, автоматическое стопорение стыкуемых фланцев кондуктора и превентора (снабженного одно- или разнотипными герметизирующими элементами) в экстремальных условиях,
Положительный эффект:
- в значительном сокращении финансовых, материальных и трудовых затрат на подготовительных, заключительных и штатных эксплуатационных операциях. Кроме этого, обеспечивается полная гарантия точной центровки превентора со скважиной, его стыковка с кондуктором, с последующим автоматическим стопорением их фланцев на фонтанирующей скважине при полной безопасности для обслуживающего персонала;
- в рациональном использовании энергоносителя, приводящего в действие герметизирующие элементы при поступлении его от насоса постоянной производительности. Положительный эффект - низкая стоимость и значительно более высокая надежность насоса постоянной производительности против насоса переменной производительности, почти равномерная нагрузка его привода от начала процесса герметизации и до его завершения при максимальном сокращении времени и энергии на герметизацию скважины;
- в обеспечении возможности шлюзования муфтовых соединений колонны труб. Положительный эффект: исключение необходимости применения второго превентора, а следовательно, и увеличение строительной высоты обвязки устья скважины, существенное повышение оперативности в работе и снижение стоимости работ и обвязки устья, увеличение ресурса превентора на 100% ;
- в возможности автоматического стопорения герметизирующих элементов против произвольной разгерметизации устья скважины. Положительный эффект: исключение аварийного выброса флюида на дневную поверхность, а следовательно, и исключение травм обслуживающего персонала и сохранение экологического режима;
- в возможности расхаживания герметизирующих элементов и очистки полости превентора и колонны труб от аморфного и прикипевшего шлама. Положительный эффект: исключение возможности заклинивания механизмов, увеличение долговечности собственно герметизирующих элементов и повышение качества герметизации;
- в возможности использования затвердевших или распаренных действием высоких температур манжет (представляющих собой полый усеченный конус, изготовленный из эластичного материала или манжет, изношенных до образования кольцевого зазора между ними и изношенной колонной труб. Причем манжеты бракуются по причине износа только их устьевой части, взаимодействующей с колонной труб. Это составляет только долю % от ее веса, а остальная часть вполне сохранившаяся, уничтожается. Положительный эффект: обеспечение повторного срока эксплуатации дефицитнейших манжет, изготовляемых из дорогостоящей резины на базе импортных компонентов.

Целью изобретения является создание превентора с технической характеристикой, значительно превышающей техническую характеристику прототипа отечественных и мировых аналогов.

Реально ожидаемый итоговый положительный эффект: двух- или четырехкратное повышение долговечности; законное и безопасное его использование в экстремальных условиях; высокая универсальность, обеспечиваемая двадцатью пятью вариантами компоновок; возможность шлюзования муфтовых соединений; высокая технологичность изготовления при малых трудозатратах.

Сущность изобретения и его отличительными (от прототипа и аналога) признаками является то, что он выполнен в двухзапорном варианте и шарнирно посажен на кондуктор. Автоматически центрируется с ним и автоматически стопорится. Его легкозаменяемые герметизирующие элементы (плашки, манжеты или чечевичные кольца) размещены в нижнем и верхнем картерах со шлюзовым промежутком между ними не менее длины муфтового соединения колонны. В шлюз встроен блок-поршень двойного действия, представляющий два симметрично спаренных полым штоком полых усеченных конуса цангового поршня. Внутренние участки цанговых поршней, взаимодействующие с плашками, очерчены кривой линией, касательные линии на разных участках к которой образуют углы переменной величины с плашками и осью превентора: в начале хода герметизации, когда для перемещения плашек требуется малая сила - углы максимальные, а в конце, когда для прижатия плашек к колонне требуется большая сила - углы минимальные. На внешних конических поверхностях цанговых поршней выточены кольцевые храповики. С названными углами кольцевых храповиков взаимодействуют стопорные собачки с углами, ответными углам кольцевого храповика. Они подвижно посажены в корпус перпендикулярно его оси и шарнирно связаны с подпружиненным двуплечим рычагом асинхронного их (собачек) включения в стопорный режим и отключения. Плашки посажены на шлицы вала-шестерен, находящихся во вращательном взаимодействии своими шестернями.

Они снабжены осевыми и радиальными каналами интенсивной очистки полостей превентора. На выходной конец одной из вала-шестерни посажен рычаг расхаживания плашек и гидроударного удаления аморфного и прикипевшего шлама из полостей превентора. Дополнительный обжим манжеты вокруг колонны осуществляется применением обжимного кольца с конической расточкой, охватывающей наружную устьевую часть манжеты, дистанционно прикрепленного к торцу цангового поршня и подвижного с ним в осевом направлении.

На фиг. 1 изображен превентор, вариант 1 компоновки с двумя рядами плашек, вертикальный разрез. Цанговый блок-поршень в нейтральном положении. Левее главной оси плашки нижнего и верхнего рядов и правее оси - верхняя плашка - открыты для прохода долота. Правее оси, нижняя плашка контактирует с колонной, герметизируя устье скважины, что достигнуто смещением цангового блока-поршня в нижнее положение.

На фиг. 2 изображен превентор, в плоскости осей, несущих плашки, горизонтальный разрез.

На фиг. 3 - превентор варианта II компоновки, верхняя часть которого снабжена плашками, находящимися в положении, как на фиг. 1, вертикальный разрез. Нижняя его часть снабжена манжетным герметизатором и пружинным браслетом для поджима его к колонне. Левее оси - скважина загерметизирована. Правее - разгерметизирована.

На фиг. 4 - превентор варианта III компоновки, верхняя часть которого снабжена плашками, находящимися в положении, как на фиг. 1, вертикальный разрез. Нижняя его часть снабжена манжетным герметизатором и кольцевым устройством поджима его к колонне. Левее оси - скважина загерметизирована. Правее - разгерметизирована.

На фиг. 5 - превентор варианта IV компоновки, верхняя часть которого снабжена плашками, находящимися в положении, как на фиг. 1, вертикальный разрез. Нижняя часть снабжена герметизатором в виде чечевичного кольца из эластичного материала. Левее оси - проход, открытый для протяжки колонны. Правее - скважина загерметизирована.

На фиг. 6 показана шарнирная посадка превентора на кондуктор; на фиг. 7 - механизм стопорения фланцев превентора и кондуктора.

Компоновка I (фиг. 1) - превентор плашечный (двухзапорный) содержит в качестве герметизирующих элементов два комплекта плашек, расположенных в двух уровнях, разновременно включаемых в работу. Плашки могут быть "трубные", предназначенные для герметизации колонн постоянного или переменных диаметров. В другом случае, один комплект плашек может быть "трубным", второй - "глухим". Расстояние Н1 между нижним и верхним комплектами плашек принято не менее длины муфтового соединения герметизируемой колонны. Этим обеспечивается его шлюзование. Количество плашек в каждом комплекте целесообразно принимать три. Такая целесообразность доказана фундаментальными исследованиями. При трех плашках в одном комплекте существенно увеличивается их долговечность и качество герметизации. Кроме этого создается возможность применения уплотнительных материалов в качестве футеровки плашек, пониженной эластичности, обладающих высокими эксплуатационными качествами, в том числе теплостойкостью.

Описанный вариант I компоновки пригоден для работы в любом пространственном положении. Любой его торец может стыковаться с нижерасположенным объектом обвязки устья скважины.

Для привода плашек применима жидкая или газообразная среда, поступающая под соответствующим давлением из традиционных источников. Корпус превентора может быть литым или скомпонован, например, из муфты I обсадной колонны, при стандартных наружном диаметре D 1, длине Н 2 и внутренних конических резьбах. Она шарнирно посажена на кондуктор (фиг. 6 и 7). В стенках муфты два сквозных канала 2, 3 предназначены для прохода рабочей среды и монтажное углубление 4. Два сквозных радиальных отверстия 5, 6 для стопорных собачек 7, 8. Фронтальные концы собачек, обращенные в сторону главной оси, срезаны с одной стороны под углом α 1, обеспечивающим самоторможение при воздействии на собачку силы, перпендикулярной ее оси. С противоположной - под углом α 2, например 45^о - храповым, обеспечивающим отжим собачки в радиальном направлении от главной оси, при воздействии на нее названной перпендикулярной силы, т. е. при работе в режиме храповика. Обе собачки подвижно уплотнены со стенками отверстий 5, 6 и шарнирами 9, 10 соединены с двуплечим Т-образным рычагом 11, шарниром 12 посаженным на серьгу 13 муфты 1. Центральная расточка D 2 муфты 1 снабжена уплотнением 14. В нее посажен шток 15 с внутренней резьбой 16 цангового поршня 17 - с наружным D 3, проходным D 4 и очертаниями его полости R 1, R 2, α 3, α 4, уплотнениями 18, кольцевым храповиком 19, с профилем поперечного сечения которого согласованы профили, собачек 7, 8. В резьбу 16 цангового поршня 17 посажен хвостовик 20 цангового поршня 21. Внутренняя часть поршня от участка, ограниченного D 4 и до наружного D 3, очерчена радиусами R1 и R2, которые соединены прямой, между которой и осью поршня заключен конструктивно приемлемый переменный угол α 3 - от 30^о до α 4 - до 45^о. При α 3 и постоянной осевой силе, создаваемой поршнем, достигается максимальная сила обжима колонны плашками при значительной величине хода поршня. Под α 4 и постоянной осевой силе, развиваемой поршнем, достигается меньшая сила обжима колонны плашками при меньшей величине хода поршня, что в результате положительно отражается на высоте превентора и рациональном расходе рабочей среды. Изготовленные поршней с храповиками осуществляется только токарным способом - самым дешевым.

С коническими резьбами муфты 1 стыкуются два одинаковых цилиндра, 22, 23 с фланцами, образующими корпус, длина которого Н 3. Каждый цилиндр снабжен комплектом "трубных" плашек 24, 25 или трубных и глухих, шлицами посаженных на оси, представляющие собой валы-шестерни 26, 27, 28 с глухими 29, 30, 31 - осевыми, предназначенными для подачи промывочной среды каналами и радиальными 32, 33, 34, являющимися соплами для подачи названной среды в картеры 35, 36 с целью удаления шлама с цанговых поршней 17, 21, цилиндров 22, 23, плашек 24, 25 и бурильной колонны 37 с наружным диаметром D 7, повышения качества герметизации и увеличения долговечности плашек. Превентор в собранном виде имеет две рабочие полости 38, 39 его гидродвигателя.

Плашки насаживаются на свои валы-шестерни, приводятся в положение "превентор закрыт" (фиг. 1) правее оси, низ и все три одновременно обрабатываются токарным способом по R 3 и элементам, прилегающим к колонне.

Благодаря тому, что плашки имеют шлицевую посадку на своих осях, т. е. на валах-шестернях 26, 27, 28, сблокированных между собой (фиг. 2) вращением одной из них (например 26), сообщается вращение по и против часовой стрелки на некоторый угол поворота α 5 и синхронно передается другим валам-шестерням 27, 28 и плашкам. Это необходимо для синхронного подвода плашек к колонне и отвода от нее. При резком повороте валов-шестерен с плашками достигается удар их тыльной части, очерченной радиусом R 3 о стенки картера, благодаря чему аморфный и прикипевший шлам отваливается и смывается струями промывочной среды, вырывающейся из радиальных сопел 32, 33, 34, совершающими такие же колебательные движения, как и плашки, омывая значительно большую площадь картера, чем это можно достигнуть струями, выбрасываемыми из неподвижных сопел.

Для описанного проворачивания плашек нижнего и верхнего рядов на одной из валов-шестерен каждого ряда предусмотрен хвостовик 40 (фиг. 1, 2), куда может быть посажен, например, рычаг (не показан) для выполнения этой операции.

Работа превентора-компановка I (фиг. 1). Герметизация и разгерметизация скважины.

Поступление рабочей среды через канал 2 в полость 38, блоки-поршни (17-21) (до этого находившиеся в среднем положении фиг. 1, левая сторона, когда плашки открыты до D 4) станут перемещаться вниз на величину ≈ H 4 и своим буртиком, очерченным R 2, отжимают плашки от стенок цилиндра 22 и своей цанговой расточкой (от R 1 до R 2) приведет их из нейтрального положения (левая сторона) в положение (низ правая сторона), т. е. закроет их. Причем при движении блоков-поршней (17-21) с постоянной скоростью плашки в начале движения с незначительным сопротивлением будут приближаться к колонне с более высокой скоростью, чем перед контактом с ней. Это достигается наличием радиуса R 1, являющегося частью кривой, образующей расточки цанговых поршней, что используется для обеспечения максимального прижатия плашек к колонне, при прежнем давлении рабочей среды на поршень.

Произвольное перемещение блоков-поршней (17-21) в обратном направлении и разгерметизации скважины исключены взаимодействием собачки 8 с кольцевым храповиком 19, углом α 1, обеспечивающим самоторможение. Кроме этого рычаг 11 может быть снабжен дополнительным стопором, например, на пульте управления.

Подавая рабочую среду через канал 3 в полость 39, блоки-поршни (17-21) перемещаются вверх на величину ≈ Н 4, в результате чего нижние плашки 24 открываются, отойдя от колонны на величину а, а верхние плашки 25 закрываются. При этом произвольное перемещение блоков-поршней (17-21), а следовательно и разгерметизация скважины исключаются взаимодействием собачки 7 с храпокивом 19.

Работа превентора-компановка I (фиг. 1). Шлюзование.

При расхаживании колонны, заключающемся в их проворачивании и осевом перемещении, при наличии давления под превентором выше атмосферного не редки случаи, когда осевое движение прекращается в результате упора муфтового соединения в герметизатор. Это возможно в результате ошибки, допущенной при компоновке колонны, или изменившихся целей и условий работы. В таких случаях верхняя часть колонны поднимается над превентором, компонуется трубами уточненной длины, опускается в скважину, после чего продолжается ее расхаживание. В период подъема и спуска колонны при закрытом герметизаторе происходит интенсивный его износ трубами с необработанной поверхностью. Такое явление принято считать нормальным. Кроме этого расходуется драгоценное время. Предложенный превентор полностью исключает названные недостатки тем, что, например, при спуске колонны в аналогичных условиях она герметизируется верхним герметизатором. При подходе муфты к верхнему герметизатору он мгновенно открывается, а нижний закрывается. При подходе муфты к нижнему герметизатору он открывается, а верхний мгновенно закрывается, после чего расхаживание колонны продолжается.

Этим исключается необходимость точности подбора труб при компоновке колонны.

Вариант компоновки II (фиг. 3) плашечно-манжетный с расклином манжеты, содержит в качестве герметизирующих элементов один комплект плашек 25 в верхней части превентора, полностью повторяя компановку I (фиг. 1).

Нижний комплект плашек заменен манжетным герметизатором, являющимся отдаленным аналогом а. с. СССР N 1.592.472 и заявки N 4.702.492, признанной изобретением.

Для получения такого превентора, технологически необходимого при бурении и исследовании скважин, отличающихся особо сложной технической характеристикой горных пород и флюида, от превентора (фиг. 1) отделяется нижний цилиндр 22 с плашками 24 и цанговый поршень 21. Взамен ставятся поршень 41 с расклином 42 и гильза 43 с манжетой 44 и браслетом 45. Причем расклину 42 придана форма цилиндра. У манжеты сохранена традиционная конструкция - усеченный полый конус. Герметизирующее устройство, содержащее позиции 41 - 45, является нижней частью превентора.

Шлюзование муфтовых соединений бурильных колонн с применением превентора компоновки II (фиг. 3) осуществляется аналогично тому, как эта операция выполняется с применением превентора компоновки I (фиг. 1). Компоновка II применима с положением манжеты в нижнем положении. Превентор стыкуется с ниже расположенным объектом обвязки устья скважины тем концом, где находится манжетный герметизатор.

Вариант компоновки III (фиг. 4) плашечно-манжетный, с расклином и поджимом манжеты содержит в качестве герметизирующих элементов один комплект плашек 25 в верхней части превентора, полностью повторяя компоновку I (фиг. 1).

Нижний комплект плашек заменен видоизмененным манжетным герметизатором, являющимся аналогом а. с. СССР N 1.592.472 и заявки N 4.702.492, признанной изобретением. Он применим для условий, когда в результате действия на манжету высоких или низких температур она утрачивает свои физические свойства самоподжима к колонне, когда манжета уже подверглась значительному износу и даже при номинальной температуре образует зазор с колонной.

Предназначен для дополнительного принудительного обжига перегретой или переохлажденной манжеты вокруг колонны, при наличии предельного износа манжеты и колонны и кольцевого зазора между ними. Для получения такого превентора от превентора (фиг. 1) отделяется нижний цилиндр 22 с плашками 24 и цанговый поршень 21. Взамен ставится поршень 41 с цилиндрическим расклином 42 и гильза 43 с видоизмененной манжетой 46. У манжеты сохранена традиционная коническая форма усеченного полого конуса. Она может быть изготовлена не только из резины, но и из высокотеплостойких пластиков. В цокольной части манжеты образованы, например, три отверстия с собственными лабиринтными уплотнениями, через которые проходят плотно скользящие стержни 47, верхними концами прикрепленные к поршню 41, а на нижних несут глухо посаженное стопорное кольцо 48 с конической расточкой.

При движении поршня 41 вверх расклин 42 выходит из манжеты, а кольцо 48 охватывает ее конец и отжимает вокруг колонны, герметизируя устье скважины. При движении поршня вниз кольцо 48 автоматически сходит с манжеты, а расклин 42 автоматически увеличивает проход в ней, обеспечивая бесконтактный с манжетой проход колонны. Опорной частью превентора является его манжетный участок.

Вариант компоновки IV (фиг. 5) с плашками и чечевично-кольцевым уплотнителем может содержать, например, один комплект плашек 25 в верхней части превентора, повторяя компоновку I (фиг. 1). А нижней - чечевично-кольцевую манжету 49, посаженную в гильзу 50. В другом случае превентор может быть снабжен двумя герметизаторами (фиг. 4). Условия эксплуатации чечевично-кольцевых манжет 49 не отличаются от условий их эксплуатации в отечественных и зарубежных превенторах.

Главнейшими недостатками манжеты 49 являются: исключение возможности работы в высоких и низких температурах, остаточные деформации, разрушение смятением от высокого удельного давления на нее. Опорной частью превентора является любой его конец.

Использование: герметизация устья нефтяных и газовых скважин. Устройство включает герметизирующие элементы, расположенные на двух уровнях, со шлюзовой камерой между ними. В качестве герметизирующих элементов применяются в различных сочетаниях плашки, глухие и трубные, манжеты с пружинным браслетом, обжимным кольцом, а также традиционные кольцевые. 3 з. п. ф-лы, 7 ил.

1. Универсальный превентор, содержащий полый корпус с размещенными в нем поворотными вокруг осей, перпендикулярных оси скважины, и удаленных от нее на величину, меньшую радиуса полости корпуса, герметизирующими элементами, цанговым поршнем и стопорным механизмом, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности герметизации и расширения диапазона применения превентора, включая автоматическое центрирование его оси с осью скважины и шлюзование муфтовых соединений колонны труб, он снабжен дополнительными герметизирующими элементами, установленными в полости корпуса, сдвоенным цанговым поршнем с полым штоком, внутренняя поверхность которого, взаимодействующая с герметизирующими элементами, очерчена кривой линией, касательные к которой образуют углы переменной величины с осью превентора, причем дополнительные герметизирующие элементы установлены с возможностью взаимодействия с цанговыми поверхностями сдвоенных поршней, при этом стопорный механизм выполнен в виде серьги с собачками и установленного на ней двуплечего рычага, установленного с возможностью взаимодействия с корпусом и собачками, при этом сдвоенный поршень имеет на наружной поверхности кольцевые канавки под собачки стопорного механизма. 2. Превентор по п. 1, отличающийся тем, что дополнительные герметизирующие элементы выполнены в виде манжеты, имеющей форму полого усеченного конуса с аксиально подвижным по его наружной поверхности кольцом с конической расточкой, выполненной по форме наружной поверхности манжеты. 3. Превентор по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным стопором, размещенным на торце корпуса для фиксации последнего относительно обвязки устья скважины, причем дополнительные герметизирующие элементы вместе с корпусом выполнены поворотными вокруг осей, при этом оси вращения перпендикулярны оси скважины, а расстояние от оси вращения до оси скважины превышает радиус корпуса. 4. Превентор по п. 1, отличающийся тем, что оси дополнительных герметизирующих элементов выполнены поворотными и с радиальными и осевыми каналами для подачи промывочного агента.